機制砂混凝土高溫后力學性能試驗研究*

張彥，韓陽，鞏存蕊，劉曙光

(1.河南工業大學，河南鄭州 450052;2.鄭州市建筑設計院，河南鄭州 450052)

機制砂混凝土高溫后力學性能試驗研究*

張彥1，韓陽1，鞏存蕊1，劉曙光2

(1.河南工業大學，河南鄭州 450052;2.鄭州市建筑設計院，河南鄭州 450052)

近年來，由于天然砂資源匱乏，機制砂作為天然砂的替代材料得到廣泛應用。通過機制砂混凝土試塊的高溫后力學性能試驗，分析了不同受熱溫度對機制砂混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度的影響。結果表明:與天然砂混凝土高溫性能相似，隨著經歷溫度的升高，機制砂混凝土高溫后殘余力學強度逐漸降低，且在同配比條件下具有稍高的殘余力學強度。

機制砂;混凝土;高溫;抗壓強度;劈裂抗拉強度

1 引言

砂是混凝土基本材料之一。隨著我國土木工程建設的蓬勃發展，特別是混凝土結構的大量采用，砂石的使用量與日俱增。由于天然砂的不可再生性，隨著用砂量的急劇增多，天然砂資源日趨枯竭，不少地區出現了用砂緊缺甚至無砂可用的情況。另外，我國很多地區都出現了因濫采濫挖天然砂所導致的大面積水土流失、河道淤積、防洪堤壩損毀等惡劣后果，并由此造成了嚴重的生態問題。為此，國務院出臺一系列禁采或限采天然河砂的規定，并加強了監督管理和打擊力度。我國多山，尾礦資源豐富，合理利用巖石和尾礦生產機制砂不僅有很好的經濟價值，而且有助于生態平衡和環境保護［1］。機制砂還具有級配易控、成本低廉、節省水泥等優點，所以機制砂替代天然砂已勢在必行。

目前，對機制砂混凝土基本力學性能已經有了一定的研究，但對于機制砂混凝土高溫力學性能的研究還很少［2－3］。通過機制砂混凝土和普通混凝土高溫后抗壓強度和劈裂抗拉強度的對比試驗，分析機制砂混凝土高溫后性能變化的規律，為機制砂混凝土的高溫性能提供試驗依據，以促進機制砂混凝土在工程中的推廣與應用。

2 試驗材料及試件

試驗所用機制砂產自河南焦作，顆粒呈灰黑色，形狀粗糙尖銳、多棱角，針片狀多。按照《建筑用砂》GB/T14684－2011標準對機制砂進行了基本性能測試，細度模數為3.2～3.4，亞甲藍(mb)小于

1.4 石粉含量6%～7%。

天然砂產自河南魯山縣，外觀呈黃色，細度模數2.7～2.9，含泥量＜3%，泥塊含量＜1%;機制砂與天然砂的顆粒級配、表觀密度、堆積密度、泥塊含量等性能指標均符合國家標準《建筑用砂》GB/T14684－2011。

水泥:采用河南太陽石集團生產的42.5級普通硅酸鹽水泥，3天抗壓強度30MPa，28d抗壓強度為56MPa;

粗骨料:石灰石質碎石，粒徑5mm～20mm，壓碎指標8%，針片狀3%，泥塊含量0.5%以內;粗骨料各項參數均符合規范要求;

拌合用水:自來水;

粉煤灰:Ⅱ級粉煤灰，洛陽首龍集團生產;

減水劑:EAST－SAF－IV緩凝高效減水劑，河南銀州新型建材廠生產。

取相同配合比制作普通混凝土試件和機制砂混凝土試件(機制砂替代率100%)。試件尺寸為100 mm立方體，配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比(kg)

按照混凝土制作規程制作成型后，試件放入標準養護室，在相同的條件下養護28天取出，放置兩周后進行高溫試驗和力學試驗，觀察試件高溫作用后外觀的變化并記錄分析高溫后的力學性能，對比機制砂混凝土和普通混凝土試件高溫后力學性能變化趨勢。

3 試驗方法

對試件分組如表2所示，分別進行高溫前后的力學性能試驗。試塊靜置兩周，使其水分得以揮發，再進行高溫試驗。高溫作用后受損傷混凝土的真實力學強度，應為混凝土內部均勻受熱后的殘余力學強度。因此應使混凝土受熱均勻，內外無溫度梯度。根據對混凝土試塊恒溫受熱的內部溫度測試試驗數據，本次試驗恒溫時間為6h［4］，以確保試塊內外溫度達到一致。

表2 混凝土試件分組

混凝土試件的高溫加熱利用研制的KSL－30－12YSM雙門快速高溫爐，采用硅碳棒加熱方式。升溫速率采用10℃/min，以避免快速升溫造成混凝土的爆裂損傷。分別將試塊加熱至300℃、500℃和700℃，并恒溫6h后，使試塊自然冷卻。然后按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》GBT50081－ 2002進行混凝土試塊的力學性能試驗。

4 試驗結果及分析

4.1 高溫后試件外觀變化

不同受熱溫度后機制砂混凝土試件表觀如圖1和表3所示。常溫下的天然砂混凝土試塊與機制砂混凝土試塊表面均平整光滑，呈深灰色。經歷300℃高溫作用后，天然砂混凝土試塊與機制砂混凝土試塊表面顏色均無明顯變化，但機制砂混凝土試塊表面出現數目較少的細裂紋，而天然砂混凝土試塊表面裂紋則較多且裂紋寬度較大。500℃高溫后兩者表面顏色均有顯著變化，表面裂紋均增多，機制砂混凝土試塊裂紋集中在邊角，中心處裂紋少;而天然砂混凝土試塊表面裂紋分布較均勻，同時機制砂混凝土試塊與天然砂混凝土試塊體積均產生了較小的膨脹疏松現象。700℃高溫后，試塊表面均變為灰白色，邊角開裂形成較寬裂縫且有掉皮現象出現，機制砂混凝土試塊表面裂紋細小但數量繁多，天然砂混凝土試塊裂紋則較寬，有些裂紋貫通形成了一定深度和寬度的裂縫。機制砂混凝土與天然砂混凝土骨料膨脹造成的星形裂紋明顯，疏松嚴重。

表3 機制砂混凝土經不同高溫后表面特征

圖1 不同受熱溫度后機制砂混凝土試件表觀

4.2 立方體抗壓強度試驗

高溫后混凝土材料內部會發生不同程度的損傷，混凝土抗壓強度也會有所降低［5］。表4為不同溫度后混凝土立方體抗壓強度試驗結果。

從破壞形態上看，隨著壓力的增大，各試塊出現裂縫的時間和裂縫形式不盡相同。機制砂混凝土破壞面角錐形態不如普通混凝土明顯，在受熱溫度較低時，呈短柱破壞形態，初步認為是石粉的存在加強了機制砂混凝土內部的粘聚力，且減弱了試驗機加壓板對機制砂混凝土的約束作用。

(1)常溫狀況下，加載初期，試塊表面沒有裂縫出現，直到加載值很大快要接近極限破壞值時，裂縫迅速貫通，承載力急劇下降，試件突然破壞，且伴有很大的響聲，在破壞前變形不大，沒有預兆，屬脆性破壞。

圖2 不同高溫后試塊受壓破壞形態

(2)加熱至300℃和500℃的試塊，隨著荷載的增加，有細裂紋沿試塊縱向發展，并且裂紋不斷發展，試塊橫向稍有膨脹，最后裂紋貫通整個試件，承載力達到最高，試件破壞。此時破壞方式仍是縱向短柱型破壞。

(3)受700℃高溫作用的混凝土試塊，裂縫在加載初期就開始沿試塊縱向、橫向發展，溫度裂縫(高溫所致的微裂紋)在荷載作用下寬度急劇增大，且由試塊表面向內部貫穿，試塊橫向變形明顯。當達到最大荷載時，混凝土試塊邊界破壞，這時試塊承壓面減小，試塊還能承受一定的荷載，應變的增長大大超過應力的增長，試塊裂縫交錯，最終出現不適合繼續承載的大變形，試塊破壞。觀察破壞后的試塊發現，骨料本身也已經出現了破壞。

表4 混凝土抗壓強度試驗結果(MPa)

圖3 不同高溫后混凝土抗壓強度

4.3 劈裂抗拉強度試驗

混凝土的抗拉強度遠小于抗壓強度，因此拉應力的大小是決定結構開裂的關鍵，高溫作用后，混凝土內形成了不均勻的溫度場，混凝土材料受熱膨脹，使得拉應力分布不均，造成構件裂縫增大增多，直接導致混凝土高溫后強度下降［6］。表5為不同溫度后混凝土立方體劈裂抗拉強度試驗結果。

圖4 不同高溫后混凝土劈裂抗拉強度

表5 混凝土劈裂抗拉強度試驗結果(MPa)

5 結論

(1)常溫下，相同配合比的機制砂混凝土立方體抗壓強度比天然砂混凝土稍高。

(2)高溫后機制砂混凝土與天然砂混凝土抗壓強度均有不同程度下降，所受溫度越高，下降幅度越大。機制砂混凝土在300℃、500℃高溫后抗壓強度降低很快，折減程度大于天然砂混凝土，700℃高溫后強度損失基本與天然砂混凝土相一致;可見機制砂混凝土強度受溫度影響更為明顯。

(3)機制砂混凝土同天然砂混凝土相似，隨著經歷溫度的提高，殘余劈裂抗拉強度呈現下降趨勢;機制砂混凝土隨受熱溫度的提高，劈裂抗拉強度衰減程度較天然砂混凝土大，即機制砂混凝土高溫后的殘余劈裂抗拉性能劣于天然砂混凝土。

［1］機制砂在建筑砂漿、普通混凝土及高性能混凝土中的應用研究［M］.河南省建筑科學研究院，2012.

［2］呂劍鋒，郭向勇，李章建.機制砂C60高強混凝土耐火性能及其改善措施的研究［J］.建筑發展導向，2007(5):39－43.

［3］陳正發，劉桂鳳，徐建民.機制砂混凝土在高溫后的強度和耐久性研究［J］.混凝土，2011(10):46－48.

［4］過鎮海，時旭東.鋼筋混凝土的高溫性能及其計算［M］.北京:清華大學出版社，2003.

［5］任紅梅.肖建莊.我國混凝土結構抗火設計現狀與發展［J］.混凝土，2004(11):15－21.

［6］劉永軍，李宏男.建筑結構抗火性能研究回顧及展望［J］.防災減災工程學報.2006(06):219－226.

Experimental Study on the Mechanics Performances of the Concrete with Manufactured Sand after High Temperature

ZHANG Yan1，HAN Yang1，GONG Cun－rui1，LIU Shu－guang2
(1.Henan University of Technology，Zhengzhou，Henan 450052，China; 2.Zhengzhou Architectural Design Institute，Zhengzhou，Henan 450052，China)

In recent years，due to the lack of natural sand resources，the manufactured sand is widely used as an alternative material of it.This paper analyzes the effects of high temperature on the compressive strength and splitting tensile strength of the concrete with manufactured sand by the mechanical tests after high temperature.The results indicate that:similar to the high temperature performances of concrete with natural sand，residual mechanical strength of manufactured sand concrete drift down as the concrete samples experienced increases in temperature.And at the same proportion condition，concrete with manufactured sand has a slightly higher residual strength.

manufactured sand;concrete;high temperature;compressive strength;splitting tensile strength

TU528

:A

:1009－3842(2012)04－0001－04

2012－06－07

國家自然科學基金(50678060)

張彥(1985－)，女，黑龍江鶴崗人，碩士研究生，主要從事結構防災方面的研究。E－mail:zy13633716355@126.com